納秒脈寬脈沖電化學微加工機床關鍵技術研究.pdf

1、電化學微加工技術(Electrochemical Micromachining,ECMM)由于具有加工單位小(0.1nm以下)、無宏觀加工作用力、加工的表面質量好(無殘余應力、表面變質層和熱影響層)、工具無損耗、可實現多樣化的工藝、具備三維加工的能力等眾多突出優(yōu)點而成為微細制造領域當中很有發(fā)展前途的熱點研究課題。
　　 為了實現電化學微加工,需要采取有效措施克服傳統(tǒng)電解加工所特有的雜散腐蝕現象,增強電化學反應的定域性;同時還要使

2、加工系統(tǒng)的運動部件具有很高的運動精度,以滿足微加工的要求。鑒于超短脈寬脈沖電源在保證加工精度和穩(wěn)定性方面的特殊作用,本文以設計一套實現納秒脈寬脈沖電化學微加工的機床為主要目標,對該機床的關鍵技術開展了相關研究。
　　 從電化學的基本原理出發(fā),概括總結了納秒脈寬脈沖電化學微加工的基本理論,闡釋了納秒脈寬脈沖電化學微加工能夠實現微米/亞微米級精度加工的根本原因,建立了描述電化學微加工成形規(guī)律的理論模型,對其進行了數值仿真;實際構建了

3、電化學微加工機床系統(tǒng),介紹了電化學微加工機床的運動平臺、加工電源、電解液槽、顯微觀測等各部分的硬件組成,控制系統(tǒng)硬件,控制流程及控制軟件設計等方面的具體內容;針對納秒脈寬脈沖電化學微加工加工狀態(tài)的監(jiān)測與控制中對于高頻/甚高頻信號高速采集的困難,提出了將極間的超短脈寬電壓信號轉化為近直流信號再進行采集的解決方法,設計了極間電壓的轉換調理電路,實現了對加工狀態(tài)的自動識別與監(jiān)控。
　　 首次提出一種新型柔性回轉軸承及其主軸單元的設計方

4、案。由于這種軸承利用柔性元件的彈性變形實現運動導向,因此其重復運動精度極高,理論上可以實現零誤差的回轉運動,而且其回轉運動平穩(wěn)、無機械摩擦磨損和運動問隙、無需潤滑、可靠性高、結構適宜微小型化。從柔性回轉軸承的設計理念和總體設計原則出發(fā),提出了一系列的相關設計準則,對材料的選擇、應力的分析與計算(如非線性有限元分析、靜強度分析與抗疲勞設計)、回轉誤差,結構參數等進行了分析,給出了柔性回轉軸承的設計實例;提出了軸承扭轉管的制造工藝路線,并采

5、取選用慢走絲電火花線切割加工方法(Low speed Wire EDM,LSWEDM)、減小加工過程中工件內部的殘余應力、加強軸承扭轉管的剛度(尤其是扭轉剛度)等措施,實際加工出了柔性回轉軸承扭轉管結構,加工所得柔性片的厚度尺寸精度為±5μm,而處于相對分布角度的柔性片厚度之差則小至3μm,表面粗糙度可低至Ra0.3μm。提出了一種在內扭轉管的兩端配合限制同心度的裝配方法,可有效防止因配合面垂直度誤差所造成偏擺角度的“誤差放大”現象。介

6、紹了主軸單元各組成部分的選用或設計原則:對柔性回轉軸承的振動特性和固有頻率進行了理論分析和實際測試;針對微小型主軸系統(tǒng)回轉精度測試的現實困難,探討了幾種可能的測試方法并分析了它們的特點和不足,為將來進一步精確評定回轉誤差或對誤差進行補償時正確選用測試方法提供了有益的參考。
　　 全面概述了微細工具電極的在線制作方法,并采用電化學腐蝕的方法,獲得了直徑φ20μm以下的微細圓柱狀工具電極;討論了在不銹鋼工件上實現納秒脈寬脈沖電化學微